阻变型非易失性存储器单元电路结构设计与Spice仿真

O 引 言
    随着微电子工艺进入45 nm技术节点，基于传统浮栅MOSFET结构的FLASH存储器将遇到极为严重的挑战，相邻存储器件单元之间的交叉串扰(Cross—Talk)变得显著而无法忽略。对此学术界和工业界主要从阻变型非易失性存储技术和纳米晶浮栅结构非易失性存储技术两方面对下一代非易失性存储器技术进行研究，在此设计了 RRAM存储器单元结构并对其电路单元的延时和功耗进行仿真。

1 阻变型非易失性存储器单元电路结构设计
    基于阻变非易失性存储器的1T1R(1 Transistorand 1RRAM Device)结构单元，如图1所示，将1个RRAM存储器件和1个MOS晶体管串联组成了1个有源结构。在图1中，当PL端输入低电平GND，BL端输入高电平VDD时，如果WL端输入电平高于MOS管的阈值电压，则MOS管沟道导通，与MOS管串联的RRAM存储单元被访问，RRAM两端被施加了一个正向的电压降。如果该电压降大于RRAM器件SET过程的阻变阈值，则RRAM器件转变成低阻态，即完成了写“1”的过程。反之，当BL端输入低电平 GND，而PL端输入高电平VDD时，如果该电压降大于RRAM器件RESET过程的阻变阈值，则RRAM器件又变回高阻态，完成了写“O”的过程。当 WL端输入的电压不足以开启MOS管时，M0S管处相当于断开了，对应的RRAM器件不会被访问。

2 lTlR结构RRAM单元电路Spice仿真
2．1 1T1R结构RRAM的I一V模型
    阻变型非易失性存储RRAM器件在外加电压下的I—V转变特性有两种情况，一种是双极性RRAM(Bipolar RRAM)，即电阻的转变发生在相反的电压极性上；另一种是单极性RRAM(Unipolar RRAM)，即电阻的转变发生在同一电压极性上。此外，还存在一种特殊的情况，就是正反极性的电压作用都可以使得RRAM的状态转变为相反状态，称为无极性RRAM(Nonpolar RRAM)，但在具体应用中主要考虑上述前两种类型。所以，图2分别给出了双极性RRAM和单极性RRAM的I一V模型。

虽然通过实验可以得到单个RRAM存储器件的擦写速度和功耗，但它与1T1R结构整个存储单元的速度和功耗存在很大不同，因为需要考虑MOS管可能引入的对存储单元速度和功耗性能的影响。
2．2 RRAM单元电路延时特性的Spice仿真与分析
    基于上面建立的双极型和单极型RRAM模型，针对图1所示的1T1R存储单元结构，使用Spice电路仿真软件对RRAM单元电路部分引起的延时特性进行了仿真。

如图3所示，对于双极型RRAM存储器，SET过程比RESET过程明显慢得多。而且在SET过程中，器件的阻变阈值uT越大，写操作的速度成量级的变慢；在RESET过程中，随着器件的阻变阈值变大，写操作的速度变慢的趋势较缓和，并且趋于饱和。这可能是因为MOS管本身沟道传输的源漏不对称性。此外，随着MOS管尺寸减小，1T1R结构存储单元的存储速度变慢，这可能是由于MOS管的工作电流随着尺寸的减小而减小，所以驱动RRAM器件电阻转变的能力减小。
    图4与图3比较，可以发现，图4中单极型RRAM存储器SET过程和双极型SET过程是一致的，随着器件尺寸减小整体变化趋势相同。但是，对于RESET 过程，单极型RRAM的存储速度比SET过程要慢，同时在RESET过程比SET过程减慢的更严重，这与双极型RRAM不同。但是这也符合上面对双极型 RRAM的RESET过程的判断，双极型RRAM利用了MOS管的双向不对称传输的特性，而单极型RRAM的SET和RESET过程都是在正电压下完成的，在SET过程中，RRAM处于高阻态，两端分压大，容易获得驱动电阻转变所需的电压降，写的速度快；而在RESET过程中，RRAM处于低阻态，需要更多的时间获得足够驱动电阻转变的电压降，写的速度慢。

由此可知，基于1T1R存储单元结构，双极型RRAM存储器比单极型RRAM存储器更有优势，因为其RESET过程的写速度要快得多，达到一个量级以上。同时，如图3和图4所示，1T1R存储单元结构对单极型RRAM存储器的RESET过程的驱动能力也有限，只达到1 V左右，这就增加了在1T1R单元存储结构中使用单极型RRAM存储器的限制。
    在图5中，以SET过程为例，反映了BL和WL端的输入脉冲电压值uP对RRAM器件速度的影响，并针对180 nm，90nm和65 nm MOS管的情况进行了比较。由的延时图可见，随着BL和WL端的输入脉冲电压的增加，基于1T1R结构的RRAM存储单元在SET过程的写速度总体上是不断增加的。这说明基于1T1R结构的RRAM存储器存在对高速度和低功耗要求的矛盾，需要在具体设计中进行折衷考虑。需要注意的是，当前讨论的所有延时都是1T1R结构中MOS晶体管对存储电路单元造成的延时影响tMOS，并没有考虑RRAM器件本身的延时tnRRAM实际应该是 tDELAY=tMOS+tRRAM。

2．3 RRAM单元电路功耗的Spice仿真与分析
    基于上面建立的双极型和单极型RRAM模型，下面针对图1所示的1T1R存储单元结构，使用Spice电路仿真软件对RRAM单元电路部分造成的功耗进行了仿真。
    由于双极型和单极型RRAM存储器的SET和RESET过程的电阻转变所需的驱动能力不同，图6和图7分别为对应的器件对1T1R结构存储单元总功耗pM的影响，并同时比较了对应180 nm，90 nm和65 nmMOS管的情况。
    由图6和图7可以看到，无论是双极型还是单极型RRAM存储器，RESET过程的功耗比SET过程要大得多，可能是因为RESET过程中，RRAM处于低阻态，流过单元电路的电流很大；而SET过程中，RRAM处于高阻态，流过单元电路的电流很小。
    另外，无论是双极型还是单极型RRAM存储器，1T1R结构的存储单元的总功耗与MOS管的尺寸无关。这也表明，随着MOS管的尺寸减小，对适用于1T1R存储单元结构的双极型和单极型RRAM器件性能指标的要求都更加严格。

3 结 语
    针对阻变非易失性存储器技术，设计了基于1T1R结构的存储单元，并使用Spice仿真软件，对基于1T1R结构的双极型和单极型的RRAM存储单元电路的速度和功耗特性进行模拟仿真，并对结果进行总结和分析，为RRAM器件的进一步应用提供参考和帮助。